开题报告-基于LabVIEW的平面及立体足迹定量检验系统研究.docx

昆明理工大学毕业设计（论文）开 题 报 告题 目： 基于LabVIEW的平面及立体足迹定 量检验系统研究 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械工程及自动化2011级 学生姓名： 指导教师： 日 期： 2015年06月 1. 毕业设计（论文）的主要内容1.1 论文选题背景、目的及意义随着犯罪形势的变化,足迹检验在侦查破案中的地位越来越突出，越来越为公安和司法部门所重视，这是由足迹本身具有的重要证据作用特点所决定的。一般情况下，实施犯罪行为必然会在犯罪现场留下相应的足迹，警方现场勘查时，可以根据足迹的种类、数量、分布、新旧程度等，对案件加以分析、推断，可以增加破案的速度同时也能够位司法机构提供有力的犯罪证据。在我国,利用足迹检验认定人身始于20世纪50年代。在丰富的实践经验的基础上,曾涌现出一批身怀“绝技”的“经验型”足迹鉴定专家,在认定犯罪嫌疑人,破获疑难案件中发挥着重要作用。可是,随着我国刑事犯罪形势的严竣及法庭审理中对鉴定结论科学性的严格要求,“经验型”足迹鉴定面临着挑战:一是鉴定技术不易被掌握,因而不能满足侦查破案工作的需要。二是“经验型”的足迹鉴定由痕迹技术人员手工操作、定性分析,主观性强,在法庭审理中对这种经验证据往往不予采信1。同时由于在个人特点、运步习惯等诸多方面存在差异，所以各个个体之间足迹也不尽相同，表现为步法特征的不同。步法特征蕴藏着丰富的个人行走信息，因而我们可以遵循一定的规律，对采集到得足迹应用系统加以分析。通过系统的分析和比对，可以大致确定犯人的鞋号、性别、身高、体态、年龄、职业、行走姿势等特征。从而为准确的确定侦查方向和划定侦查范围提供帮助2。居于此，开发出一套能够精确采集和分析包括步行线、步长、步宽、步角、步幅类型及长宽角指标的足迹定量化检验系统对我国刑侦、司法机构有着不可替代的作用。1.2 足迹检验技术1.2.1足迹的概念原来的足迹概念是：人的足或足穿鞋、袜所留痕迹的总称3。随着人们对足迹学科的深入研究，随后科学的定义了足迹的概念，即：在人体结构形态固有特性制约下的足或足着物与承痕体接触所留的痕迹为足迹。它储存着形象痕迹特征、习惯痕迹特征、附属痕迹特征的信息4。这个新足迹概念,不是仅仅将足或足着物作为足迹的造痕体,而是依据客观实际,连同整个人体认作足迹的造痕体。足着物,仅是人体间接接触承痕体的媒介物,足或足着物除了能留下自身外表的形象痕迹外,同时还能留下其受制物人体固有特性的信息痕迹,即人行走动力定型的自律性作用力在足底支撑重力部位重复作用,从而习惯性地产生特定的重力感应痕迹特征。1.2.2足迹的形成足迹是犯罪现场遗留概率最高的痕迹，这些足迹通常是案犯在现场实施作案活动是行走、站立和攀爬而形成的。当人足与地面等承痕体接触时，由于两者之间存在不同形式的相互作用而引起后者的变化，并相应地反映出人足的有关形象，即形成不同的足迹。居于此足迹的形成于其他痕迹的形成一样，必须有造型客体、承受客体和作用力客体三个基本要素。1.2.3平面足迹、立体足迹、成趟足迹平面足迹指足与承痕体表面之间通过物质转移形成的足迹，它只反映足底凸出部位结构的二维形象特征，无明显的立体感。平面穿鞋足迹能反映出鞋底的外表结构形象及鞋底花纹结构等特征，平面赤足足迹亦可反映出足底的结构轮廓形象和乳突纹线特征5。立体足迹指人在行走时，足与可塑性强的承痕客体互相作用，使承痕客体产生塑性变形，具有凹凸结构的足迹称为立体足迹。立体足迹不仅能完整、充分地反映出足接触部分的外表结构形态，而且能直观、全面地反映出人的运动习惯痕迹。因而，立体足迹能够很好地反映穿鞋足迹、赤足迹的形象特征和运动习惯特征。成趟足迹指具有左右紧密连续的各两个足迹，即四个以上的连续足迹。能直接、完整地反映出双足协调搭配关系的连续足迹。既是进行足迹分析、鉴定的基础。也是循迹追踪的最佳条件。1.2.4足迹的特征犯罪分子在现场实施犯罪活动遗留的足迹表现形式是多种多样的.但无论是动态足迹、静态足迹、平面足迹、立体足迹都是通过人的赤足或鞋袜与接触面相互作用而反映出来的，所以现场足迹可以反映出形象特征、步法特征、磨损特征、气味特征及鞋袜穿用形成痕体与承痕体所附着的微量元素特征。所以说认真分析足迹的特征是足迹检验不可缺少的环节。1.2.5足迹的发现、提取及分析任何一个犯罪现场都有可能留下不同反映形式的犯罪足迹。寻找、发现、确定、提取犯罪足迹是进行足迹分析和鉴定的必要前提。一般来说，立体足迹和平面有色足迹反差较强，比较明显，在普通光线下，容易用肉眼发现。但是现场往往会有某些反差微弱、潜在的足迹，不容易看清楚。此时可利用自然光观察、配光观察、显色法等发现足迹。同时对已经确定为作案分子所留下的足迹或尚未澄清的足迹，不管是否清晰、完整，都必须加以妥善地加以固定和提取。目前一般采用拍照、激光扫描等先进的科技进行足迹的提取工作。通过对采集到得足迹图像进行分析，可以大致的确定作案人的鞋子种类、性别、身高、年龄段、体态等重要特征。1.2.6足迹步法的定量化检验（一）步幅特征的定量化检验步幅特征的检验主要有u检验法、级差检验法、隶属度检验法。u检验法是统计检验中常用的方法之一。正态分布有两个重要的参数，一个是均值X，另一个是标准差，这两个参数确定之后，一个正态分布N（X,6）就完全确定了。该方法适用于标准差已知的情形，对于要检验的步幅特征量，在不同人之间对应指标的标准差一致的情况下，恰可用u建阳法进行均值检验。通过此方法可以计算出各个步幅特征量的均值差的上限值。级差检验法适用于分布规律不够明显的随机变量，也适用于还不了解其分布规律的多指标的判别分析，即使检验人员已经知道步幅特征量的分布规律，且已掌握了u检验法，不过此方法计算简单，更适合基层人员。隶属度是模糊数学中的概念，它表示一个元素隶属于某个模糊集合的贴近程度。在案件未被查清楚之前，“作案人员的足迹特征”就是模糊集合，与此对应的“论域”是一切可疑的对象。每个嫌疑人都在一定程度上隶属于“作案人员足迹特征”这一模糊集合每一个元素贴近某个模糊集合程度的差异可疑用一个介于0到1的数据表示出来。通过隶属度检验公式计算出隶属度，隶属度为0者将被排除。（二）立体足迹定量化检验我国刑侦人员从不同的角度对足迹进行研究，取得了诸多可行的方法，例如：足迹动力学形态检验技术、不同鞋底磨损检验技术、立体足迹量化检验技术。但从量化的角度来说，立体足迹检验的方法最显著。通过激光扫面，绘制出3D模型，建立坐标系，得到各项指标，然后确定各指标的阀值，最后以较高的可靠概率最为原则，做出判断。1.3 足迹分析检验技术的研究现状、不足及趋势1.3.1足迹分析检验技术国内研究现状公安部于1955年开始聘请前苏联的刑事科学专家在中国刑事警察学院的前身中央第一公安民警干部学校先后举办了各种刑事科学技术专业培训班，并编写了痕迹检验教材（讲义），为中国培养了第一批痕迹检验技术人员。1956年，公安部开始在全国地市以上的办案单位建立刑事科学技术业务部门，足迹检验技术作为一项重要业务在各地办案工作中应用起来。内蒙古的葛有忠总结了“步法检验”技术，提出“步法个人同一认定”问题，苗青春同志出版了单个足迹检验教程，1983年，公安部第二研究所的程国恩、河北廊坊公安局的李风阁开展了“不同花纹鞋底磨损特征研究”，解决了一人穿不同鞋鉴定技术问题，1991年，河北省公安厅刘树权发表了足迹动力学理论，同年，孟兆安出版了足迹检验综合利用。至此，具有中国特色的世界领先的足迹检验理论与技术在中国警察部门基本形成6。随后我国的足迹研究进入到“足迹定量化检验”阶段，众多学者从“概率统计、模糊数学”角度对足迹检验进行了长期的研究实践。1988年，李从珠学者在“步幅鉴定的统计检验”一文中运用了步幅特征及其正态性、差级检验、步幅检验法及T2检验法提取出步幅特征，成功解决了犯罪分子销毁作案时所穿鞋的问题7。1998年，王军、周亚红、吕导中、万荣春学者利用水印足迹与尘土足迹的PH值和成分与周围客体之间的差异，应用PH指示剂与足迹反应显现出蓝色的印记，而与周围客体作用只显现出黄色或淡蓝色。从而清晰的提取出足迹。同时也以成趟足迹的步长、步宽、步角作为综合检验指标，采用了模糊数学中隶属度进行计算8。在足迹图像的自动处理和识别方面杨妹提出了基于提出了基于多尺度形态重构的足迹图像滤波算法。此方法在滤除噪声和简化图像的同时，起到保护图像边缘或轮廓的作用，尤其是多尺度形态重构滤波可以滤除不同尺度空间中的噪声，因此取得了良好的滤波效果。同时在居于此法滤波的基础上，提出了灰度梯度二维阀值向量区域分割足迹边缘提取方法及采用熵函数在等概率场下取得最大值的性质，对二维最大熵阈值法中熵函数进行了优化，得到形式简洁、意义明确的新目标函数。用该函数选取阀值只涉及到减法运算，避免了二维最大熵阈值法中的对数与乘积运算，从而提高了运算速度9。肖菁等人从三维物体表面的几何特征出发，提出了一种用法向量(Normal)分布来描述三维物体的方法，并用物体表面法向量分布曲线(Surface Normal Distributing Curve)-SNDC来对物体进行一对一的相似性判定，根据两个待识别的物体的SNDC之间所夹的面积大小，通过一个阈值作出判决10-11。张涛等人从深度图象出发，引入微分几何理论，建立了表面不变量系统，对三维表面作分割和描述12。童莉针对赤足迹中重压区域边界处于墙边缘附近、具有特定形状属性以及局部光滑的特点，提出一种基于离散傅立时描绘予(DFD，Discrete Fourier Descriptors)参数变形模型的轮廓提取方法。同时有效描述平面赤足述中全足区域和重压区域轮廓曲线的属性，提出一种基于自适应模糊线段的离散曲率估计算法13。1.3.2足迹分析检验技术国外研究现状作为一种刑事案件侦察的基本手段，足迹检验在国外的刑事侦查领域也受到了一定的重视，英国、加拿大等国开展了足迹检验的技术研究，对于足迹的视觉形状特征提出了一些基本的分析方法14-15，给出了一些有意义的结论。Robbins研究了足迹与人体身高、体重的关系16。他指出，从人类学的角度来看，每个人的足迹都是独特唯一的17。Kennedy用成年双胞胎的足迹差异性也证实这一结论18。Smith探讨了足骨与性别、人类种族的分布关系19。Chu等人通过平面赤足迹的形状来推算足弓的高度20- 21。Jasuja等人研究了在人体行走时步幅和身高的关系22。Nakajima等人将小样本的平面赤足迹数据进行标准化后，利用足迹对的方向差和位置差的加权和进行个人身份认定23，该成果还需要增大样本数据以验证其特征参数的识别有效性。Kennedy等人采集了960个志愿者的墨拓足迹，每个赤足足迹提取了100个形状特征参数，通过统计分析验证了平面赤足迹对于不同个体之间的可分辨性24，但是其部分形状特征的提取仍然需要半人工标定和测量。Jung等人用人体行走过程中足部压力的动态变化进行身份鉴别25。1.3.3足迹分析检验技术的问题及发展趋势（一）足迹检验的主要问题包括：l、足迹检验的经验成分居多，检验技术仅为少数专家掌握，从而限制了足迹检验技术的推广。由于足迹形成条件多变，识别难度大，除“形象特征”检验鉴定外，所有其它方法的鉴定都是少数专家凭深厚的经验作出定性结论，而多数痕迹检验方法难以掌握，影响了足迹检验新技术的进一步普及与应用。2、足迹提取的方法各异，没有统一的标准。由于足迹形成的人体条件和地面条件多变，数掘采集、测量和描述困难，目前主要还是靠人眼观察、测量对比、归纳整理，因此目前的足迹检验方法缺乏先进的技术手段，缺少现代化的足迹采集、数据处理和分析工具。3、足迹检验鉴定的理论基础薄弱。技术上难以掌握。足迹捡验的方法很多，但是都不完善，缺乏定量化，标准化基础。特别是对足迹特征的认识，往往因人而异，因足迹形成条件变化而异。某些特征，有些专家能够确定，而许多检验人却将信将疑，处于盲从状态。（二）未来足迹分析检验技术的发展趋势：1、足迹检验的标准化未来要建立一套完整的、可行的足迹检验标准化体系。这一体系包括足迹检验装备的标准化、现场勘查中足迹的发现提取标准化、足迹特征的标准化、足迹鉴定标准化、足迹鉴定标准化等。足迹检验的标准化是足迹检验下一轮飞跃发展的基础。2、足迹定性与定量检验相结合中国足迹检验的发展是一个经验累积的过程，一直都带有极强的主观色彩，这种经验主义曾经让中国足迹检验技术产生质的飞跃，但也成为了全国足迹检验发展至今日止不前的瓶颈，克服这种纯粹足迹定性检验一直是足迹工作者努力的方向，将足迹定性与定量检验相结合在中国还有一条很长的发展和研究之路要走。3、足迹检验的自动化随着计算机技术的蓬勃发展，未来结合计算机自动识别技术的足迹分析检验技术会得到越来越多的应用和发展，并将取代目前的人工分析检验。4、建立全国足迹数据库现代信息技术使建立足迹数据库成为可能，应尽快在全国建立现场足迹档案和样本足迹数据库，在全国范围内统一建档的标准，便于实现全国的联网查询。2. 设计技术路线及预期目标2.1设计路线1) 分析本课题的开发背景，调研国内外的研究现状，并找出该系统需要解决的主要问题，然后确定我们所设计系统的主要模块。2) 分析系统的主要工作流程，并根据各流程来设计各个模块的具体参数和界面。3) 在各个功能模块的基础上构建整体框架，对整体架构进行系统的编程。4) 对系统总体结构进行设计，其中包括系统技术架构和一些特征数据的提取方法。5) 最后就是分析系统要实现各个模块的最终实现方法。2.1预期目标1) 图像采集模块能有效的达到所期望的效果。2) 平面足迹分析检验系统的各个模块能有效的实现，达到预期使用的效果，真正实现分析成趟步幅特征及单个足迹特征，得到所需要的结果。3) 立体足迹分析的分析模块能有效实现，达到使用的效果。4) 学习相关知识，并巩固、加深对已学知识的理解，培养运用所学知识分析和解决实际工程技术问题的能力。5) 完成毕业论文的撰写。3. 课题进度计划1) 2014年11月2015年1月，查阅相关文献，分析现有足迹分析检验方法的优缺点，完成开题报告的撰写。期间学习LabVIEW、Visio软件。2) 2015年1月-2015年2月，修改开题报告，并提交老师检查。掌握开发该系统所触及的理论基础，并对系统进行模块划分。并开始撰写毕业论文的第一章绪论和第二章的理论基础部分。3) 2015年3月-2015年5月，完成系统各个模块的设计，同时完成毕业设计论文的撰写、审阅和提交工作，整理相关资料。4) 2014年6月，继续修改毕业论文，同时制作答辩PPT，准备毕业答辩。4. 参考文献1 王永栋，安会波立体足迹造型与识别系统技术及在法庭诉讼中的证据作用 J中国人民公安大学学报，2005,1(1):30-31.2 韩均良痕迹检验M中国民主法治出版社，2007.6.3 李 烽足迹科学领域亟待解决的几个问题J湖北警官学院学报，2003,12(4):35-36.4 程军伟痕迹检验技术研究M中国检察出版社，2008.8.5 辛大勇痕迹学M中国人民公安大学出版社，2009.8.6 袁胜，王阳. 中国足迹检验技术沿革及其展望J. 云南警官学院学报，2011，2(2)：119-1217 李从珠. 步幅鉴定的统计检验J. 北方工业大学学报，1987,3(2)：96-1058 王军，周亚红. 足迹显现及定量化综合检验J . 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